【长链脂肪酸对厌氧消化产甲烷性能的影响6300字（论文）】

长链脂肪酸对厌氧消化产甲烷性能的影响目录TOC\o"1-2"\h\u24192长链脂肪酸对厌氧消化产甲烷性能的影响 162961．引言 2243712．实验材料和方法 2322352.1主要试剂、材料和仪器 257872.2实验方法 3186131.沼气产量及甲烷浓度测试 4281162.挥发性脂肪酸(VFA) 4318373.胞外聚合物的提取 416664.多糖及蛋白质浓度的测定 5308495.傅里叶变换红外光谱(FTIR)的测定 572106.三维荧光光谱(3D-EEM)的测定 58793．长链脂肪酸对厌氧消化系统产甲烷性能的影响研究 5228713.1长链脂肪酸对厌氧消化系统产甲烷和挥发性脂肪酸的影响 5279471.甲烷浓度 517842.累计甲烷产量 6143083.累计氢气产量 7285683.1.2挥发性脂肪酸 8227233.2长链脂肪酸对厌氧微生物胞外聚合物的影响研究 11238993.2.1蛋白及多糖浓度的变化 11318633.2.3三维荧光光谱的测定 1443294．结论 16摘要：厌氧消化技术是一种可持续的有机废水处理技术，它在降解有机污染物的同时，还可以产生CH4等清洁能源，在近几十年得到了广泛应用。其中升流式厌氧污泥床反应器(UASB)作为目前世界上研究最多、应用最为广泛的高速厌氧反应器具有典型的气-液-固三相流体系。UASB的产气性能受多种因素的影响，本文主要研究长链脂肪酸（LCFA）在厌氧反应过程中对污泥产甲烷性能的影响。有研究表明，NaCl和CaCl2溶液能有效抑制长链脂肪酸对污泥产甲烷性能的影响，因此，本文在此基础上探究了一定的盐溶液条件下不同浓度的NaOL对污泥产甲烷能力的影响，以及在一定浓度NaOL条件下，不同种类和浓度的盐溶液对油酸钠毒性的影响。实验结果表明，随着油酸钠浓度的增大，污泥产甲烷性能呈现先升高再降低的趋势，其中浓度为1g/L时促进效果最好；同样浓度的油酸钠条件下，盐溶液浓度越高，抑制其毒性效果越好；油酸钠浓度和盐溶液浓度相同时，氯化钙的抑制效果比氯化钠好。关键词：厌氧消化长链脂肪酸LCFA毒性引言以餐厨垃圾厌氧消化和肉类生产加工食用油的各类加工废水中富含脂类,其是一种理想的厌氧消化底物。但当脂类降解和转化的产物长链脂肪酸累积到一定浓度时，将会导致厌氧消化系统受到抑制。因此，仍有必要进一步了解废脂的负面影响及其背后的原因，从而控制影响因素，改进工艺流程。本实验主要目的是探究不同长链脂肪酸（油酸钠）浓度对污泥厌氧消化系统所造成影响，本研究成果将有助于长链脂肪酸抑制厌氧系统产甲烷机制和餐厨垃圾厌氧消化系统稳定运行。实验材料和方法2.1主要试剂、材料和仪器污泥的VS=0.8174g/g，TS=0.0741g/g。表1主要材料及化学试剂试剂名称规格生产厂家NaCl分析纯国药集团化学试剂有限公司KCl分析纯Na2HPO4·12H2O分析纯KH2PO4分析纯C6H12O6分析纯NH4Cl分析纯NaHCO3分析纯甲醇高效液相色谱纯氮气99.99%青岛豪森新能源有限公司甲烷99.99%青岛豪森新能源有限公司实验所用仪器如表2所示。表2主要实验仪器表仪器名称型号生产厂家气相色谱仪SP-6800A山东鲁南仪器公司高效液相色谱仪LC-20ATSHIMADZU酶标仪SparkTECAN紫外可见分光光度计UV-6100上海元析仪器有限公司电子天平TOLEDOMETTLER恒温培养振荡器ZWY-2112B上海智城分析仪器制造有限公司烘箱DHG-9241A上海精宏实验设备有限公司2.2实验方法2.2.1实验设计本次实验分别设置1个对照组和11个实验组，每组取4个与互相平行的实验样品，每个血清瓶中加入50mL营养液（营养液组成成分见表4），50mL浓度梯度为0~10g/L的NaOL溶液，以及不同浓度的NaCl和CaCl2溶液（具体浓度见表3）。装瓶后使用氮气和二氧化碳混合气曝气5分钟，充分地排除瓶中和液体中的氧气，随后用橡胶塞和铝盖进行密封，放入37C恒温的培养箱中以130r/min进行培养，间隔12小时进行一次取样并测量其产气量以及甲烷氢气浓度，每次取样5mL。表3实验设计表组别加入底物体积(mL)加入NaCl溶液浓度加入CaCl2溶液浓度加入NaOL溶液浓度(g/L)15010mM0025010mM00.535010mM0145010mM0255010mM0565010mM0107010mM00.5850100mM00.5950200mM00.51050010mM0.511500100mM0.512500200mM0.5表4营养液组成成分表营养液组成成分浓度(g/L)Glucose6.0NH4Cl0.159KH2PO40.0318NaHCO30.0758.2.1.2测试指标与方法1.沼气产量及甲烷浓度测试测定沼气产量使用排水法用一次性注射器吸入瓶内上半部分的气体，利用气相色谱仪测定气体中的甲烷浓度及氢气浓度。气相色谱仪的主要检测器设计类型为标温热导电性检测器，温度100C，柱温65C，气化化学实验室检测温度100C，进样设计数量1.0mL。每次测量前，均将纯甲烷和纯氢气气体作为标准气体进样以确定出峰时间，每个待测样品中甲烷峰面积与纯甲烷峰面积的比值即为该待测样品的甲烷浓度，类似地，每个待测样品中氢气峰面积与纯氢气峰面积的比值即为该待测样品的氢气浓度。瓶内的总产气量采用排水法进行测量，测量过程中充分摇晃瓶身以确保瓶内气体均被测量到，并记录读数。2.挥发性脂肪酸(VFA)使用液相色谱法测定VFA。选用了C18色谱柱(Thermoscientific,150mm×4.6mm)，紫外光谱检测器的色谱检测值为210nm。反应器的正常运行工作完成时，摇匀后取2mL瓶内悬浮液过0.22µm有机滤膜准备进样。以10mmoL/L磷酸:甲醇=80:20（v/v）为流动相，并用磷酸将pH值调至2.1，将样品在流速为0.75mL/min的条件下分析。厌氧消化系统中具有代表性的VFAs有乙酸、丙酸和丁酸等，通过对待测样本中的VFAs与标准品之间保留时刻进行比较，确定VFAs种类，并基于绘制的标准曲线计算待测样品中的VFAs浓度。3.胞外聚合物的提取胞外聚合物的提取法采用阳离子交换树脂法。清洗钠型阳离子交换树脂：先称取一定量的钠型离子树脂，用去离子水清洗2~3遍至上清液不再浑浊，然后把树脂放在去离子水中，边搅拌边加入0.01mol/L稀盐酸直至pH=5，滴入等浓度的氢氧化钠溶液，至pH=9，再用稀盐酸调至pH=7，最后清洗2~3遍后烘干备用。取一定质量的反应剩余污泥于4℃，6000r/min的温度和转速条件下离心10min，弃去上清液后再次重新悬浮于相同体积的1%NaCl溶液中，按照60g/g的比例加入钠型阳离子交换树脂，悬浮液在500r/min的转速下搅拌12h。将搅拌过后的悬浮液用高速冷冻离心机在4℃下以10000r/min的转速离心10min，上清液过0.45µm的醋酸纤维素膜，最后将得到的溶液冷冻干燥并研磨制成粉末（即EPS），保存在干燥器中备用。4.多糖及蛋白质浓度的测定多糖采用蒽酮-浓硫酸比色法测定。该方法的原理是：糖类在处于较高的温度下时，可以被浓硫酸作用而脱水生成糖醛或羟甲基糖醛，其与蒽酮脱水缩合后形成糖醛的衍生物呈现蓝绿色。测定方法：取样品2mL于消解管中，将5mL蒽酮溶液（0.2%蒽酮溶液：0.06g蒽酮溶于30mL浓硫酸中）注射进管中，待冷却至室温后，在100℃水浴锅中水浴10min，再冷却至室温后即可测定在625nm波长下的吸光度。通过已绘制的标准曲线得到EPS中多糖的浓度。蛋白质浓度采用BCA试剂盒法进行测定，将EPS配置成1g/L的溶液，取10L与250L工作液混匀，37℃孵育30min，波长526nm用酶标仪测定吸光度。5.傅里叶变换红外光谱(FTIR)的测定采用FTIR的ATR模式，在4000~525cm-1的波谱范围内，测量胞外聚合物的红外光谱。6.三维荧光光谱(3D-EEM)的测定3D-EEM可用于鉴别污泥胞外聚合物中的荧光化合物。以5nm为采样间隔，在200~500nm的激发波长（EX）和200~700nm的发射波长（EM）下，收集胞外聚合物的3D-EEM光谱，收集胞外聚合物的3D-EEM光谱。长链脂肪酸对厌氧消化系统产甲烷性能的影响研究3.1长链脂肪酸对厌氧消化系统产甲烷和挥发性脂肪酸的影响3.1.1长链脂肪酸对厌氧消化系统产甲烷影响1.甲烷浓度投入药品后体系内甲烷浓度随时间变化的结果如图1所示。图中显示，未加入NaOL的对照组在周期内浓度一直呈上升趋势，并且最终达到的甲烷浓度最高，达到了14.52%。体系内NaOL浓度为0.5~5g/L的实验组大致的趋势相同，都在反应时间达到30h时达到9~10%的浓度，且在接下来的反应周期中甲烷浓度呈现一条水平线不再增加，最终浓度在10%左右。体系内NaOL浓度为10g/L的实验组中，其甲烷浓度与其他组相比增长较慢且最终浓度偏低，其增长曲线位于所有曲线最下方。从图1中我们不难看出，浓度为10g/L的第六组在反应周期内甲烷浓度低于其他五组，最终其甲烷浓度定格在5.20%。图1甲烷浓度随时间变化2.累计甲烷产量图2中反映了随着反应时间的增加，不同NaOL浓度的反应体系中累计甲烷产量的变化趋势。图中显示，累计产甲烷最多的是浓度为1g/L的第三组，累计产甲烷为3.84mL，产量最少的是浓度为10g/L的一组，产量为0.0036mL。其中，控制组的产量变化呈现先升高后趋于平稳的趋势，其产量高于浓度为5和10g/L的组，低于浓度为0.5、1.0和2g/L的组，最终产量为2.30mL。2~4组的表现显示，在0.5、1.0和2g/L三个NaOL浓度下，NaOL对甲烷产量有促进作用。在反应时间为8~20h时，每组甲烷累计产量的增长速率与NaOL浓度呈正相关。但在20~32h时，浓度0.5和2g/L两组增长速度低于1.0g/L的增长速度，后者的产量也超过其他两组，达到了3.84mL。反应32h后，各组的产量趋于平稳不再增加。除此之外，NaOL浓度为5g/L的第五组增加速率和最终产量都比控制组偏低，最终产量为1.72mL。浓度为10g/L的一组甲烷累计产量最低，且在反应周期内不增加，一直为0.0036mL。由此我们可以推测，过高的NaOL浓度会抑制污泥的产气性能，而低浓度的NaOL能促进污泥产甲烷。图2累计甲烷产量3.累计氢气产量图3中反映了随着反应时间的增加，不同NaOL浓度的反应体系中累计氢气产量的变化趋势。从图3中看出，累计产氢最多的是NaOL浓度0.5g/L组，其最终产量为6.02mL。控制组和投药浓度为5g/L的组产量相近，分别为0.32和0.37mL。NaOL浓度为10g/L的组产量最低，为0.00065mL。在剩下的三组中，产氢性能与NaOL浓度呈负相关，且趋势相同，在反应时间达到20h时产量趋于平稳，最终产量分别为6.02、4.75、2.58mL。图3累计氢气产量3.1.2挥发性脂肪酸VFAs作为厌氧消化过程的主要代谢物，对其分析非常有必要。对于溶液中VFAs的组成，乙酸、丙酸和丁酸占主导地位。如图4中所示，空白组的总酸浓度（TVFA）整体上持续下降的趋势，由8h时的4000mg/L降至400mg/L，在32h后趋于平稳。在实验组中，油酸钠浓度为1和2g/L的反应体系变化趋势相近，在8h时浓度分别为279.18和537.98mg/L，然后再8~32h之间VFA浓度逐渐增加，最终在32h时达到顶峰，分别为1259.79和1713.08mg/L，随后随时间降低，最终浓度为604.83和719.72mg/L。油酸钠浓度0.5和10g/L的两组变化趋势相近，它们都在20h时达到最高值1360.79和1741.68mg/L，并随后一直降低，最终达到567.58和1342.48mg/L。油酸钠浓度为5g/L的第五组比较特殊，它的VFA浓度在32h下降后又在44h达到峰值，为2083.94mg/L。图4总VFA浓度随时间变化情况图5为乙酸浓度随反应时间变化情况。乙酸作为主要的挥发性脂肪酸，其变化趋势与总VFA浓度变化趋势相同，只有油酸钠浓度为10g/L的反应体系变化趋势有所不同。其整体呈上升趋势，由最初的501.77mg/L增加至1064.20mg/L。图6显示了VFA的组分变化，乙酸从始至终都占据了大多数。与控制组相比，在反应时间为8h时，加入NaOL的组别中丙酸和丁酸占比较高，体系汇总NaOL浓度越高，丙酸和丁酸的占比就越高。其中5g/L组的丁酸占比达到25.92%，丙酸占比24.94%。反应进行至56h时，控制组和0.5g/L的实验组中，丙酸和丁酸所占比例都上升，但是5g/L组中，这两种酸占比都有所下降，其中丙酸占比降至0.91%，乙酸由原来的49.14%增加至76.5%，而丁酸仍保持在20~25%,说明大部分丙酸转化为了乙酸，乙酸成为了主要的VFA。图5乙酸浓度随时间变化情况图6不同NaOL浓度下挥发性脂肪酸组分随时间变化情况3.2长链脂肪酸对厌氧微生物胞外聚合物的影响研究3.2.1蛋白及多糖浓度的变化多糖（PS）和蛋白（PN）浓度的测量结果如表5所示。在表5中，NaOL浓度为0.5g/L的第二组多糖浓度最高，为34.07mg/L，其余组浓度都差不多相当，但是实验组的多糖浓度普遍比控制组高。控制组EPS中蛋白的浓度最高，能达到71.66mg/L，但实验组中蛋白浓度变化大都在50~55mg/L的区间中。有研究表明，较高的PN/PS值有利于颗粒的形成和稳定，数据表明，实验组的PN/PS值都比控制组要低，而当NaOL浓度为0.5g/L时，PN/PS值最低，为1.69，充分表明NaOL作为一种污染物，对于污泥的厌氧消化过程有毒性作用。表5胞外聚合物中蛋白质和多糖浓度变化0g/LNaOL0.5g/LNaOL2g/LNaOL10g/LNaOL200mMNaCl200mMCaCl2多糖(mg/L)4.5334.074.805.537.896.53蛋白(mg/L)71.6657.5755.6556.2055.2252.36PN/PS15.831.6911.5910.177.008.023.2.2蛋白质二级结构变化图7不同浓度NaOL和盐溶液背景下的红外光谱测得红外光谱如图7所示，3292cm-1处的特征峰是羧酸的羟基引起的，2921和2850cm-1处的特征峰是烷烃中的-CH2-造成的，1561cm-1处的特征峰是硝基引起的，1314cm-1处的特征峰是酚类物质的羟基引起的，而1125cm-1左右则是C-O和C-C的伸缩振动。1700~1600cm-1范围是表征蛋白质二级结构的酰胺Ⅰ带，取控制组和10g/L两组进行蛋白质二级结构拟合如图8所示。图8(a)0g/L与(b)10g/L浓度下胞外聚合物蛋白的去卷积酰胺Ⅰ带二阶导数谱蛋白质二级结构可分为聚合链、-折叠、随机螺旋、-螺旋、3-转螺旋和反平行-折叠。其中，聚合链、-折叠和-螺旋这三种蛋白质二级结构与促进生物絮凝相关。如果这三种结构所占比重有所上升,则这就说明蛋白质本身具有疏松的结构，使内部的疏水基团充分地暴露，增加了蛋白质的表面疏水度。已有一些研究结果表明，蛋白质的疏松结构可能会充分地暴露内部的疏水性基团，是影响污泥聚集的关键因素。从表6中我们能看出，加入NaOL后，聚合链、-折叠和-螺旋这三种蛋白质二级结构分别所占比例都有所增加。控制组中这三种蛋白的总占比为44.05%，而10g/L组中三种蛋白质二级结构的总占比为73.34%，相比控制组大幅提高。除此之外，二者的-螺旋/（-折叠+无规卷曲）之比分别为1.61和1.40，后者低于前者，这充分说明NaOL加入后会使污泥的胞外聚合物表面疏水结构增加，促进污泥凝集。表6不同油酸钠浓度下EPS蛋白质二级结构相对含量二级结构波数(cm-1)相对含量/%0g/L10g/L聚合链1625-161015.1330.53-折叠1640-163013.3817.84无规卷曲1645-164000-螺旋1657-164815.5424.973-反螺旋1666-165919.260反-折叠1695-16803.533.643.2.3三维荧光光谱的测定图9浓度为0g/LEPS的三维荧光光谱图10浓度为10g/LEPS的三维荧光光谱图9和10分别为实验组1和6的三维荧光蛋白光谱，从图中可以看出一共有两个峰，峰A为EX/EM=230/305nm，主要成分是蛋白质；峰B位于EX/EM=260/375nm，其主要成分是类富里酸组分。具体强度见表6。表6中我们看出，峰A的强度比峰B的强度高，且NaOL浓度越高，两个峰的强度越高，浓度为10g/L时两个峰峰值都是最高，达到178.15和172.63。当NaOL浓度为0.5g/L时，AB峰峰值最低，为84.29和79.10。相同的NaOL浓度下，加入盐溶液会使峰值升高，且同浓度CaCl2溶液比NaCl溶液效果差一些。富里酸是腐殖酸的一种，常存在于自然水体中，我们推测是污泥在自然水体中吸附在EPS中的。表6荧光光谱参数0g/LNaOL0.5g/LNaOL2g/LNaOL10g/LNaOL200mMNaCl200mMCaCl2峰A171.8584.29158.05178.15112.5590.00峰B119.6370.10154.23172.6387.5471.66

结论本章我们研究了长链脂肪酸油酸钠对污泥厌氧发酵过程的影响，主要结论有：（1）在反应体系中加入NaOL后，最终甲烷浓度与空白相比偏低。随着NaOL浓度的升高，污泥产甲烷性能呈现先升高后下降的态势，其中在1g/L时达到最佳浓度。（2）通过对溶液中代谢产物的分析，发现VFAs作为厌氧消化过程的主要代谢物，在加入NaOL的条件下积累较慢，但最终水平比空白组高，说明长链脂肪酸能影响VFA的转化。（3）通过对厌氧反应剩余污泥胞外聚合物的蛋白质二级结构进行分析，我们发现的NaOL添加会增加3.2.1中五种螺旋的占比，并同时通过蛋白质的疏松结构的方法暴露污泥内部疏水基团，这些结构有利于颗粒污泥的凝聚及稳定存在。（4）3D-EEM的结果表明NaOL的添加会在高浓度时增加蛋白质和类富里酸，在低浓度时减少。除此之外盐溶液的加入会增加蛋白质和类富里酸的含量。参考文献[1]杨紫怡,王雯,马宗虎,陈泓,刘广青长链脂肪酸对餐厨垃圾厌氧消化产甲烷的影响环境工程学报2017[2]RoqueJiménezJoséAlejandro,RosaVelázquezMilca,PinosRodríguezJuanManuel,VicenteMartínezJorgeGenaro,MendozaCervantesGuillermo,FloresPrimoArgel,LeeRangelHéctorAarón,RellingAlejandroE..RoleofLongChainFattyAcidsinDevelopmentalProgramminginRuminants[J].Animals,2021,11(3).[3]陈雨卉,席宏波,于东,周岳溪,陈学民,伏小勇典型除草剂生产废水的有机污染特性研究[J].光谱学与光谱分析,2015,35(12):3444-3449.[4]周洪波,陈坚,赵由才,周琪长链脂肪酸对厌氧颗粒污泥产甲烷毒性研究[J].水处理技术,2002(02):93-97.[5]周洪波,陈坚,任洪强,周琪,赵由才长链脂肪酸对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的影响及其相互作用研究[J].中国沼气,2001(01):3-5+36.[6]RyanM.Ziels,DavidA.C.Beck,H.DavidStenselLong-chainfattyacidfeedingfrequencyinanaerobiccodigestionimpactssyntrop